Press Release

廃棄炭素繊維を電磁波シールド機能を持つフィルムへアップサイクル

水系プロセスで導電性・耐熱性を備えた機能性複合フィルムを開発

　炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、軽量かつ高強度であることから、航空機、自動車、スポーツ用品など幅広い分野で利用されています。一方、成形や切削などの加工工程では炭素繊維の粉末や端材が発生し、その有効利用が課題となっています。
　本研究では、炭素繊維成形品の加工工程で発生した廃棄炭素繊維粉末（Waste Carbon Fiber: WCF）を、水溶性高分子であるポリビニルアルコール（PVA）およびカルボキシメチルセルロースナトリウム（CMC）と組み合わせ、水を溶媒とするキャスト法によって複合フィルムを作製しました。有機溶媒や特殊な化学試薬を使用せず、比較的低環境負荷な方法で導電性フィルムを形成できることが特徴です。
　作製したフィルムをレーザー顕微鏡および顕微ラマン分光法で解析したところ、炭素繊維はフィルム内部に完全に均一に分散するのではなく、乾燥過程で重力によってガラス基板側へ沈降し、厚さ方向に濃度勾配を形成することが分かりました。その結果、片面は高分子を多く含む比較的高抵抗な層、反対面は炭素繊維を多く含む高導電性層となり、表裏で異なる電気特性を示す異方性構造が自然に形成されました。
　特にPVA/CMC/WCF複合フィルムでは、WCFを50 wt%添加した場合、炭素繊維が多く存在する裏面のシート抵抗は約50 Ω/sqまで低下しました。この実測値から電気伝導率を求め、薄膜の電磁波シールド理論を用いて計算したところ、10 GHz付近では30 dBを超える電磁波シールド性能が期待されることが示されました。

　さらに、廃棄炭素繊維は導電性を付与するだけでなく、PVAの結晶化を促進する不均一核生成剤としても作用しました。示差走査熱量測定の結果、ガラス転移温度は最大約40 ℃上昇し、結晶性も約24%増加しており、耐熱性の向上にも寄与することが明らかになりました。
　また、作製したフィルムを室内環境で2年間保管した後に再評価したところ、導電性は概ね維持され、約5 mmの曲率半径まで曲げても破損せず、柔軟性も保持されていました。
　本研究の特徴は、高価なグラフェンやカーボンナノチューブではなく、本来廃棄される炭素繊維粉末を高付加価値材料として利用した点にあります。さらに、通常は材料の不均一化を招くため好ましくない「粒子の沈降」を逆に利用し、追加の積層工程を行うことなく、表裏で異なる機能を持つフィルムを形成しました。
　今後は、ベクトルネットワークアナライザを用いたGHz帯での電磁波シールド性能の直接測定や、繰り返し曲げ、引張特性、湿度依存性などを詳細に評価することで、帯電防止包装材、電磁波シールドフィルム、フレキシブルエレクトロニクスなどへの応用を目指します。
　※なお、本研究の電磁波シールド性能は実測ではなく、実測した導電性に基づく理論予測です。